石墨加工中心立柱的靜力學(xué)分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化

朱贊彬， 孟凡燁

(1.信陽農(nóng)林學(xué)院，河南 信陽 464000；2.國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086)

石墨加工中心主要用于加工石墨模具及石墨電極，隨著未來5G信號以及無線電充電技術(shù)的發(fā)展，越來越多的電子設(shè)備將采用3D玻璃蓋板，因此用于3D玻璃熱彎的石墨模具將有廣闊的市場[1]，石墨手機熱彎模具如圖1所示。石墨熱彎模具主要性能如下。

(1)優(yōu)良的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、潤滑和抗磨性；

(2)線膨脹系數(shù)低，具有很好的熱穩(wěn)定性能及抗加熱沖擊性能，在高溫下強度隨溫度升高而增大[2]；

(3)耐化學(xué)腐蝕與大多數(shù)金屬不易發(fā)生反應(yīng)；

(4)可以制作成形狀復(fù)雜、精度高的模具。

由于石墨具有其他材料不具有的這些特性，在熱彎模具以及石墨電極上被廣泛使用，與普通金屬加工機床相比石墨加工中心必須具備以下性能[3]。

(1)良好的密封性。由于石墨加工時產(chǎn)生大量的石墨粉塵，這種粉塵不僅導(dǎo)電且密度較輕，若防護等級不高石墨粉塵一旦進入傳動部件對絲杠導(dǎo)軌等關(guān)鍵零部件會造成非常嚴重的破環(huán)，甚至使零部件直接報廢。若進入機床電氣柜或電路板上可能導(dǎo)致短路，因此其密封防護非常重要。

圖1 石墨手機熱彎模具

(2)良好的剛性。這主要是由模具本身的加工精度決定的，為了滿足手機玻璃后蓋等電子設(shè)備玻璃蓋板熱彎后的形位公差及表面質(zhì)量，要求石墨的熱彎模具其平面度達到3 μm以內(nèi)，其凹凸模具兩個相對平面的平行度要求達到5 μm以內(nèi)，這就對加工中心的整體性能提出了較高的要求，不僅要保證極高的定位精度，同時整個機床應(yīng)具有較好的剛性以及抗振性。

1 整機結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合石墨加工的特點，在以原有龍門加工中心為基型的基礎(chǔ)上，研制了一款專用于石墨、銅電極等模具加工的龍門機床，其整機結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 龍門機床整機結(jié)構(gòu)

機床的基本參數(shù)如下：三軸行程分別為X軸650 mm、Y軸500 mm、Z軸300 mm，主軸為內(nèi)裝式電主軸，最高轉(zhuǎn)速30 000 r/min，最大功率5.5 kW，刀庫為傘形刀庫，刀柄型號為HSK-E40，整機質(zhì)量約4 500 kg，系統(tǒng)采用發(fā)那科0i-MF系統(tǒng)，三軸進給采用αiF伺服電機，三軸均為滾珠絲杠傳動并搭配海德漢絕對式光柵尺實現(xiàn)全閉環(huán)控制。

2 立柱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

2.1 立柱的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于此類機床的立柱結(jié)構(gòu)是影響機床整機動態(tài)性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件[4-5]，因此對立柱結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計尤為重要。本設(shè)計方案中整個立柱采用一體式橫梁Ⅱ型全包覆箱體結(jié)構(gòu)[6]，增大了立柱與床身的結(jié)合面積，提高了立柱的支撐強度，因而增強了整機剛度，立柱結(jié)構(gòu)外形如圖3所示。

圖3 立柱結(jié)構(gòu)外形

2.2 立柱筋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了方便鑄件起模，一般機床廠家采用的立柱筋板結(jié)構(gòu)如圖4所示，此立柱的重量為1 268.79 kg。

圖4 改進前立柱筋板結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)此結(jié)構(gòu)立柱的基本受力情況并結(jié)合石墨加工的受力特性，按照內(nèi)三角形原理設(shè)計將立柱的上橫梁內(nèi)部筋板分為上下兩個部分，均為W型設(shè)計，立柱的支撐柱部分亦為三角形筋板[7-9]。為了使W型筋板結(jié)構(gòu)實現(xiàn)更優(yōu)的效果，需要對其進行尺寸參數(shù)的優(yōu)化[10]。W型筋板可看做兩個 V 字型筋板的組合。因此每個W 形筋板的優(yōu)化只需對兩個 V 字型筋板進行優(yōu)化[11]。考慮到兩筋板角度較小時難以制造，因此優(yōu)化時控制兩相鄰筋板之間的角度值均大于20°[12-13]。W 型筋板結(jié)構(gòu)采用上下或左右對稱形式，本次優(yōu)化選取兩個角均為35°，改進后此立柱的重量為1 269.42 kg，筋板布局如圖5所示，優(yōu)化后其質(zhì)量基本保持不變。

圖5 改進后立柱筋板型式

2.3 不同筋板結(jié)構(gòu)靜力學(xué)對比分析

結(jié)合以往立柱靜力學(xué)分析方法及機床的實際工況，對立柱采用空間4節(jié)點四面體單元進行應(yīng)力應(yīng)變分析，立柱材質(zhì)為灰口鑄鐵HT300，取其彈性模量為1.3×105MPa，泊松比為0.27，材料密度為7 350 kg/m3。設(shè)定好基本參數(shù)后，將模型的圓角及某些不重要的孔忽略并進行必要的簡化，兩種不同布局的筋板網(wǎng)格劃分分別如圖6、圖7所示。

圖6 改進前立柱網(wǎng)格劃分

圖7 改進后立柱網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分完畢后對兩種不同筋板的立柱進行靜力學(xué)對比分析，兩種立柱均施加相同的約束與載荷，如圖8所示。

圖8 施加約束與載荷

經(jīng)過ANSYS軟件運算得出兩種立柱的總體變形分別如圖9、圖10所示，最大主彈性變形分別如圖11、圖12所示，從圖中可以看出，經(jīng)過優(yōu)化后減小了立柱的總體變形量和最大彈性變形量，其靜剛度得到了較大提升。

圖9 改進前立柱總體變形

圖10 改進后立柱總體變形

圖11 改進前立柱最大主彈性變形

圖12 改進后立柱主彈性變形

3 小結(jié)

(1)重點對立柱筋板布局進行了對比分析，通過改進立柱的筋板布局并結(jié)合加工受力情況，施加相同約束及載荷對立柱進行對比分析，結(jié)果表明改進后其總體變形和最大彈性變形都明顯減小，具有較大的實際應(yīng)用價值。

(2)由于石墨加工會產(chǎn)生大量的石墨粉塵，且現(xiàn)階段一般不加冷卻液，因此要設(shè)計多重防護，防止石墨進入絲杠或電配箱造成機床故障。

(3)石墨加工時，吸入石墨粉塵對操作者有較大傷害，因此要加強機床防護等級設(shè)計，操作者需要佩戴專用防護面罩。